1.0 Mật độ của thép không gỉ
1.1 Giới thiệu về mật độ thép không gỉ
Mật độ của thép không gỉ đề cập đến khối lượng chứa trên một đơn vị thể tích. Thông thường, nó dao động trong khoảng 7,5 và 8,0 g/cm³ (hoặc 7500–8000 kg/m³, 0,27–0,29 lb/in³), khiến nó trở thành một trong những tính chất vật lý quan trọng của vật liệu thép không gỉ. Giá trị chính xác thay đổi tùy thuộc vào loại hợp kim và thành phần.
Thép không gỉ là một loại thép hợp kim được sử dụng rộng rãi có chứa ít nhất 10.5% crom, với các yếu tố bổ sung như cacbon, silic, mangan, niken, molypden, titan, Và đồng được thêm vào tùy thuộc vào ứng dụng dự định của nó. Các nguyên tố hợp kim này không chỉ xác định khả năng chống ăn mòn, sức mạnh cơ học, Và khả năng tạo hình, nhưng cũng ảnh hưởng trực tiếp đến nó Tỉ trọng.
Trong thiết kế kỹ thuật và kiểm soát chất lượng, mật độ là một thông số quan trọng được sử dụng để ước tính trọng lượng, tính toán khả năng chịu tải và đánh giá chi phí vật liệu. Hiểu được mật độ của các loại thép không gỉ khác nhau giúp đảm bảo chính xác lựa chọn vật liệu Và thiết kế kết cấu.
1.2 Mật độ của thép không gỉ 304 và 316
- Mật độ thép không gỉ 304: ≈ 7,93 g/cm³ (7930 kg/m³ hoặc 0,286 lb/in³)
304 là thép không gỉ austenit được sử dụng phổ biến nhất. Mật độ của nó cao hơn một chút so với các loại ferritic và martensitic (như 403), thấp hơn một chút so với 316, thấp hơn đồng và cao hơn nhôm và thép cacbon. - Mật độ thép không gỉ 316: ≈ 7,98 g/cm³ (7980 kg/m³ hoặc 0,288 lb/in³)
So với thép không gỉ 304, thép không gỉ 316 chứa một lượng cao hơn niken Và molypden, dẫn đến mật độ cao hơn một chút.
1.3 Biểu đồ bảng mật độ thép không gỉ
| Loại thép không gỉ | Mật độ (g/cm³) | Mật độ (kg/m³) | Mật độ (lb/in³) |
| 201 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 202 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 301 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 302 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 303 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 304 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 304L | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 304LN | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 305 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 321 | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 309S | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 310S | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 316 | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 316L | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 316Ti | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 316LN | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 317 | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 317L | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 347 | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 904L | 7.98 | 7980 | 0.288 |
| 2205 | 7.8 | 7800 | 0.282 |
| S31803 | 7.8 | 7800 | 0.282 |
| S32750 | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| 403 | 7.75 | 7750 | 0.28 |
| 410 | 7.75 | 7750 | 0.28 |
| 410S | 7.75 | 7750 | 0.28 |
| 416 | 7.75 | 7750 | 0.28 |
| 431 | 7.75 | 7750 | 0.28 |
| 440A | 7.74 | 7740 | 0.28 |
| 440C | 7.62 | 7620 | 0.275 |
| 420 | 7.73 | 7730 | 0.28 |
| 439 | 7.7 | 7700 | 0.278 |
| 430 | 7.7 | 7700 | 0.278 |
| 430F | 7.7 | 7700 | 0.278 |
| 434 | 7.74 | 7740 | 0.28 |
| 444 | 7.75 | 7750 | 0.28 |
| 405 | 7.72 | 7720 | 0.279 |
*Các mật độ này được đưa ra ở điều kiện tiêu chuẩn về nhiệt độ và áp suất.
1.4 Biểu đồ mật độ của các loại thép phổ biến nhất
| Loại thép | Cấp | Các nguyên tố hợp kim chính (ngoài Fe và C) | Mật độ (g/cm³) | Mật độ (kg/m³) | Mật độ (lb/in³) |
| Thép Cacbon | Carbon thấp | – | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| Carbon trung bình | – | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| Cacbon cao | – | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| Thép hợp kim | 4140 | Crom, Molypden | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| 4340 | Crom, Niken, Molypden | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| 8620 | Crom, Niken, Molypden | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| Thép không gỉ | 304 | Cr 18%, Ni 8% | 7.93 | 7930 | 0.286 |
| 316 | Cr 16–18%, Ni 10–14%, Mo | 7,98 – 8,00 | 7980 – 8000 | 0,288 – 0,289 | |
| 410 | Có 11,5–13,5% | 7,75 – 7,80 | 7750 – 7800 | 0,280 – 0,282 | |
| 430 | Tín chỉ 16–18% | 7.70 | 7700 | 0.278 | |
| Thép công cụ | Ngày 2 | Cr, Mo, V | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| H13 | Cr, Mo, V | 7.80 | 7800 | 0.282 | |
| M2 | Thứ Hai, Thứ Tư, Thứ Năm | 8.00 – 8.30 | 8000 – 8300 | 0,289 – 0,300 | |
| Thép tốc độ cao | T1 | T, T, T, T | 8.50 | 8500 | 0.307 |
| M42 | Mo, Co, W, Cr | 8.30 | 8300 | 0.300 | |
| Thép chịu thời tiết | A242 | Cr, Ni | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| A588 | Cr, Ni | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| Kết cấu thép | A36 | – | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| A992 | V hoặc Nb | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| Maraging thép | 250 | Ni, Co, Mo, Ti | 8.10 | 8100 | 0.293 |
| 300 | Ni, Co, Mo, Ti | 8.10 | 8100 | 0.293 | |
| Thép không gỉ Duplex | 2205 | Cr 22%, Ni 5%, Mo 3% | 7.80 | 7800 | 0.282 |
| Thép siêu Duplex | 2507 | Cr 25%, Ni 7%, Mo 4% | 7.80 | 7800 | 0.282 |
| Thép Silic | hướng tới ngũ cốc | Si ~3% | 7.65 | 7650 | 0.276 |
| Thép lò xo | 5160 | Cr ~0,7–0,9% | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| 1095 | – | 7.85 | 7850 | 0.284 | |
| Thép Hadfield | – | Mn ~12%, Si | 7.87 | 7870 | 0.285 |
| Thép cắt tự do | 12L14 | Chì, S | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| Thép Nitơ | – | N | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| Thép Điện | Không định hướng | Si2–3.5% | 7.65 | 7650 | 0.276 |
| Thép đông lạnh | 9% Niken | Ni9% | 8.00 | 8000 | 0.289 |
| Thép HSLA | – | Các nguyên tố hợp kim khác nhau | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| UHSS (Sức mạnh cực cao) | – | Hợp kim với Nb, Ti, v.v. | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| Thép mạ kẽm | – | Lớp phủ kẽm | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| Thép Boron | – | B | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| Thép đường ray | – | Cr, Mn | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| Thép cốt thép | – | – | 7.85 | 7850 | 0.284 |
| Thép IF | – | Ti hoặc Nb | 7.85 | 7850 | 0.284 |
1.5 Chuyển đổi mật độ thép không gỉ: kg/m³, g/cm³ và lbs/in³
| Đơn vị | Sự miêu tả | Công thức chuyển đổi |
| kg/m³ | Kilôgam trên mét khối | 1 kg/m³ = 0,001 g/cm³ = 1000 g/m³ = 0,000036127 lbs/in³ |
| g/cm³ | Gam trên centimet khối | 1 g/cm³ = 1000 kg/m³ = 0,036127 lbs/in³ |
| lbs/in³ | Pound trên inch khối | 1 lbs/in³ = 27.680 kg/m³ = 27,68 g/cm³ |
2.0 Thép không gỉ Duplex và mật độ độc đáo của nó
Tỉ trọng: Khoảng 7,7–7,8 g/cm³, thấp hơn thép không gỉ austenit do sự hiện diện của ferit, có mật độ thấp hơn.
2.1 Tổng quan
Máy kết hợp thép không gỉ Duplex austenit và ferit với tỷ lệ gần bằng nhau. Cấu trúc hai pha này cung cấp cường độ cao và tuyệt vời khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất, làm cho nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe.
2.2 Thành phần
Các lớp phổ biến như UNS S31803 Và S32205 bao gồm:
- 21–23% Crom
- 4.5–6.5% Niken
- 2,5–3,5% Molypden
Các yếu tố này cải thiện khả năng chống ăn mòn và tỷ lệ sức bền trên trọng lượng, phù hợp với hóa chất, dầu khí, Và hàng hải môi trường.
2.3 Lợi ích chính
- Năng suất gấp đôi sức mạnh của thép không gỉ tiêu chuẩn
- Cho phép vật liệu mỏng hơn, giảm chi phí và trọng lượng
- Tốt khả năng hàn Và độ dẫn nhiệt
- Sự giãn nở nhiệt thấp hơn, thích hợp cho các hệ thống áp suất cao và ăn mòn
3.0 So sánh mật độ giữa các loại thép không gỉ
Thép không gỉ Austenitic: Các loại như 304 và 316 có mật độ khoảng 7,9 g/cm³. Được cấu tạo chủ yếu từ crom và niken, chúng không có từ tính, có khả năng chống ăn mòn cao và rất dẻo. Mật độ cao hơn của chúng khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng hàng hải, hóa chất và các ứng dụng có độ bền cao khác.
Thép không gỉ Ferritic: Các loại như 430 và 409 có mật độ thấp hơn một chút, thường là 7,7–7,8 g/cm³. Với nhiều crom hơn và ít niken hơn, chúng có từ tính và chống nứt do ăn mòn ứng suất tốt hơn, phù hợp với hệ thống ống xả ô tô và các ứng dụng nhạy cảm với trọng lượng.
Thép không gỉ Martensitic: Các loại thép như 410 và 420 cũng dao động từ 7,7 đến 7,8 g/cm³. Các loại thép này chứa nhiều carbon hơn, cho phép độ cứng cao sau khi xử lý nhiệt. Mặc dù khả năng chống ăn mòn kém hơn, nhưng chúng cung cấp tỷ lệ sức bền trên trọng lượng tuyệt vời cho các công cụ, lưỡi dao và các bộ phận chịu ứng suất cao.
4.0 Các yếu tố ảnh hưởng đến mật độ thép không gỉ
Mật độ của thép không gỉ không phải là một giá trị cố định mà thay đổi dựa trên một số yếu tố chính:
4.1 Thành phần hợp kim
Mật độ phụ thuộc phần lớn vào loại và tỷ lệ các nguyên tố hợp kim:
- Sắt (Fe): Nguyên tố cơ bản, quyết định mật độ cơ sở.
- Crom (Cr): ~7.190 kg/m³; làm giảm nhẹ mật độ tổng thể.
- Niken (Ni): ~8.900 kg/m³; hàm lượng cao hơn làm tăng mật độ.
- Molipden (Mo): ~10.280 kg/m³; làm tăng đáng kể mật độ.
- Các nguyên tố khác (ví dụ như carbon, nitơ, mangan, silic) có tác động nhỏ nhưng có thể đóng vai trò quan trọng trong các loại thép hiệu suất cao.
4.2 Sự thay đổi nhiệt độ
Khi nhiệt độ tăng, sự giãn nở vì nhiệt làm tăng thể tích và giảm mật độ.
- Trung bình, mật độ giảm ~0,4% cho mỗi lần tăng 100°C.
- Nhiệt độ cực cao hoặc cực thấp có thể ảnh hưởng đến cả mật độ và hiệu suất vật liệu.
4.3 Điều kiện áp suất
- Áp suất cao nén cấu trúc nguyên tử, làm tăng mật độ.
- Áp suất thấp (ví dụ: chân không) có thể gây ra sự giãn nở nhẹ, làm giảm mật độ.
Những tác động này cần được xem xét trong môi trường áp suất cao hoặc chân không.
4.4 Độ xốp
- Độ xốp là khoảng trống hoặc khe hở bên trong vật liệu.
- Độ xốp cao hơn làm giảm thể tích kim loại hiệu dụng, làm giảm mật độ.
- Các quá trình như bột luyện kim hoặc thiêu kết có thể gây ra tình trạng xốp.
4.5 Quy trình sản xuất
- Các thông số như nhiệt độ lò, tốc độ làm mát, trình tự hợp kim, Và nhiệt sự đối đãi có thể ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô và mật độ cuối cùng.
- Kiểm soát quy trình được tối ưu hóa đảm bảo tính chất vật liệu ổn định và đồng nhất.
5.0 Mật độ thép không gỉ ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào
Mật độ của thép không gỉ không chỉ phản ánh độ chặt của cấu trúc nguyên tử mà còn ảnh hưởng đến nhiều tính chất vật lý và cơ học khác nhau:
- Độ bền kéo:Thép không gỉ có mật độ cao hơn thường có độ bền kéo lớn hơn do cấu trúc nguyên tử dày đặc hơn, cải thiện khả năng chống gãy khi chịu lực kéo.
- Độ cứng:Vật liệu dày đặc hơn có các nguyên tử được sắp xếp chặt chẽ hơn, tạo ra độ cứng cao hơn và khả năng chống lõm, trầy xước và biến dạng tốt hơn.
- Độ dẻo:Thép không gỉ có mật độ thấp hơn có xu hướng dẻo hơn, cho phép kéo dài mà không bị gãy—lý tưởng cho các ứng dụng đòi hỏi biến dạng đáng kể.
- Chống ăn mòn:Cấu trúc vi mô dày đặc hơn làm giảm đường xâm nhập của môi trường ăn mòn, tăng cường khả năng chống ăn mòn, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt.
- Khả năng định hình:Thép có mật độ thấp với cấu trúc nguyên tử lỏng lẻo dễ uốn, kéo sâu và dập hơn, phù hợp với các thành phần phức tạp hoặc chính xác.
- Khả năng hàn: Thép không gỉ mật độ cao thường cần nhiều năng lượng hơn để làm nóng chảy do lực liên phân tử mạnh hơn, khiến việc hàn khó khăn hơn. Các loại có mật độ thấp hơn thường dễ hàn hơn.
- Khả năng gia công: Các loại thép có mật độ cao cứng hơn và đàn hồi hơn, làm tăng khả năng chống cắt và mài mòn dụng cụ. Thép có mật độ thấp dễ gia công hơn và hiệu quả hơn.
- Tính bền vững:Thép không gỉ có mật độ cao hơn thường có độ bền và độ cứng cao hơn, giúp kéo dài tuổi thọ, giảm tần suất thay thế và cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên.
6.0 Vai trò của mật độ thép không gỉ trong các ứng dụng thực tế
- Tính toán trọng lượng:Mật độ là yếu tố quan trọng để tính toán trọng lượng vật liệu (Trọng lượng = Mật độ × Thể tích), ảnh hưởng đến chi phí vận chuyển và thiết kế tải trọng kết cấu.
- Lựa chọn vật liệu:Mật độ khác nhau phù hợp với các nhu cầu khác nhau—thép có mật độ cao hơn cho các bộ phận cần độ bền quan trọng, thép có mật độ thấp hơn cho các thiết kế nhẹ.
- Ước tính sức mạnh:Mật độ giúp ước tính độ bền cơ học và độ cứng, hỗ trợ lựa chọn vật liệu trong xây dựng, máy móc và bình chịu áp suất.
- Đánh giá khả năng chống ăn mòn:Mật độ cao hơn thường biểu thị cấu trúc vi mô chặt chẽ hơn, cải thiện khả năng chống ăn mòn khí hoặc chất lỏng.
- Thiết kế hiệu suất nhiệt:Mật độ ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt và khả năng chịu nhiệt, quan trọng đối với bộ trao đổi nhiệt và hệ thống nhiệt.
- Phân tích độ nổi và độ ổn định:Trong môi trường chất lỏng như công trình biển hoặc bể chứa, mật độ được sử dụng để phân tích lực đẩy và độ ổn định.
- Thiết lập tham số gia công:Mật độ thay đổi ảnh hưởng đến lực cắt, lựa chọn dụng cụ và phương pháp làm mát trong quá trình sản xuất.
- Mô phỏng và mô hình hóa cấu trúc:Giá trị mật độ chính xác rất quan trọng trong FEA hoặc CAD để đảm bảo kết quả mô phỏng đáng tin cậy.
- Đánh giá tài nguyên và tái chế:Mật độ giúp đánh giá giá trị vật liệu và hiệu quả sử dụng tài nguyên trong quá trình tái chế và phân tích vòng đời.
Tài liệu tham khảo:
https://www.thyssenkrupp-materials.co.uk/density-of-stainless-steel
